Το φως υπάρχει επειδή υπάρχουν ηλεκτρικά φορτία. Παρότι η σύνδεση αυτών των δύο είναι μία από τις βαθύτερες ιδέες της σύγχρονης φυσικής, συνήθως περνά απαρατήρητη. Αυτή η σχέση προκύπτει από την επονομαζόμενη συμμετρία βαθμίδας (gauge symmetry) και εξηγεί γιατί το φως (η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία) πρέπει να υπάρχει.
Για να το καταλάβουμε αυτό ξεκινάμε από τα ηλεκτρόνια. Τα ηλεκτρόνια είναι κβαντικά σωματίδια, πράγμα που σημαίνει ότι εμφανίζουν και κυματική συμπεριφορά. Ένα κύμα δεν περιγράφεται μόνο από το μήκος κύματος και το πλάτος του, αλλά και από κάτι που ονομάζεται φάση. Η φάση μάς λέει σε ποιο στάδιο της ταλάντωσης βρίσκεται το κύμα σε κάθε σημείο του χώρου. Σημεία που έχουν την ίδια φάση ταλαντώνονται με τον ίδιο τρόπο.
Δύο κύματα μπορούν να έχουν το ίδιο σχήμα και πλάτος αλλά να διαφέρουν κατά μια μετατόπιση φάσης. Στην κβαντική φυσική όμως, μόνο οι διαφορές φάσης μπορούν να μετρηθούν. Η τιμή της φάσης δεν είναι παρατηρήσιμη. Είναι θέμα σύμβασης. Μπορούμε να την ορίσουμε κάπου ίση με μηδέν για ευκολία στους υπολογισμούς, αλλά αυτή η επιλογή δεν έχει φυσική σημασία.
Το ότι μια αυθαίρετη επιλογή δεν πρέπει να επηρεάζει μετρήσιμα φυσικά αποτελέσματα αποτελεί την ουσία της συμμετρίας βαθμίδας. Το πρόβλημα εμφανίζεται όταν επιτρέπουμε στην επιλογή της φάσης να διαφέρει από σημείο σε σημείο. Αν συγκρίνουμε ηλεκτρόνια σε διαφορετικές θέσεις, η σχετική τους φάση θα μπορούσε τότε να εξαρτάται από τη δική μας αυθαίρετη σύμβαση. Αυτό θα σήμαινε ότι μετρήσιμα μεγέθη εξαρτώνται από κάτι χωρίς φυσικό νόημα, κάτι που δεν είναι αποδεκτό.
Η λύση είναι να εισαγάγουμε μια επιπλέον πληροφορία που καταγράφει πώς αλλάζουν οι φάσεις από σημείο σε σημείο. Αυτή η πρόσθετη δομή είναι ένα πεδίο, συγκεκριμένα ένα πεδίο βαθμίδας. Όταν ένα ηλεκτρόνιο κινείται, η φάση του πρέπει να προσαρμόζεται με τρόπο που εξαρτάται από αυτό το πεδίο, έτσι ώστε όλες οι αυθαίρετες επιλογές να ακυρώνονται στα μετρήσιμα μεγέθη.
Μαθηματικά, αυτό εμφανίζεται όταν παίρνουμε παραγώγους του κυματικού πεδίου του ηλεκτρονίου. Μια μεταβαλλόμενη φάση δημιουργεί επιπλέον όρους. Για να διατηρηθεί η συμμετρία βαθμίδας, πρέπει να προσθέσουμε αντισταθμιστικούς όρους που περιλαμβάνουν το πεδίο βαθμίδας. Αυτή η συνδυασμένη δομή εξασφαλίζει ότι η φυσική δεν εξαρτάται από αυθαίρετες επιλογές φάσης.
διαβάστε σχετικά: Ο μετασχηματισμός των ηλεκτρομαγνητικών δυναμικών
Μόλις αυτό το πεδίο βαθμίδας υπάρξει, γίνεται μια φυσική οντότητα από μόνο του. Μπορεί να έχει κυματισμούς που διαδίδονται στον χώρο ακόμα κι εκεί όπου δεν υπάρχουν ηλεκτρόνια. Αυτοί οι κυματισμοί είναι τα φωτόνια, τα κβάντα του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου. Είναι αυτό που ονομάζουμε φως.
Αυτή η κατάσταση μοιάζει κάπως με τη βαρύτητα στη γενική σχετικότητα. Η μάζα καθορίζει πώς καμπυλώνεται ο χωρόχρονος, αλλά ο χωρόχρονος μπορεί επίσης να υποστηρίζει κύματα – τα βαρυτικά κύματα – ακόμη και σε κενές περιοχές. Αντίστοιχα, τα ηλεκτρικά φορτία απαιτούν την ύπαρξη του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου, και αυτό το πεδίο μπορεί να διαδίδει κύματα από μόνο του.
Μια σημαντική συνέπεια είναι ότι ένα ηλεκτρόνιο δεν μπορεί ποτέ να απομονωθεί πλήρως από το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο. Τα πραγματικά ηλεκτρόνια περιβάλλονται πάντα από ένα «νέφος φωτονίων» – δηλαδή, συνοδεύονται από κβαντικές διακυμάνσεις του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου. Το απομονωμένο σωματίδιο που βλέπουμε στα διαγράμματα των βιβλίων είναι μια εξιδανίκευση, όχι κάτι που παρατηρούμε άμεσα.
Η συμμετρία βαθμίδας δεν εξηγεί μόνο τον ηλεκτρομαγνητισμό. Ολόκληρο το Καθιερωμένο Πρότυπο της σωματιδιακής φυσικής βασίζεται σε παρόμοιες αρχές συμμετρίας. Η απαίτηση η φυσική να μην εξαρτάται από αυθαίρετες συμβάσεις αποδεικνύεται εξαιρετικά ισχυρή.
Ωστόσο, ενώ η συμμετρία βαθμίδας εξηγεί γιατί υπάρχει φως εφόσον υπάρχουν ηλεκτρικά φορτία, δεν εξηγεί γιατί υπάρχουν τα ίδια τα ηλεκτρικά φορτία. Οι προσπάθειες να απαντηθεί αυτό το ερώτημα διαμέσου μεγάλων ενοποιημένων θεωριών ή θεωριών των πάντων δεν έχουν μέχρι σήμερα αποδώσει κάποιο αποτέλεσμα.
Παρόλα αυτά, το συμπέρασμα παραμένει: μόλις υπάρξουν φορτισμένα σωματίδια όπως τα ηλεκτρόνια, η συμμετρία βαθμίδας επιβάλλει την ύπαρξη του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου, και αυτό το πεδίο αναπόφευκτα υποστηρίζει κύματα. Αυτά τα κύματα είναι το φως.
περισσότερες λεπτομέρειες στο βίντεο που ακολουθεί:
Κατηγορίες:ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟΣ, ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΗ ΣΩΜΑΤΙΑ
physicsgg 
Σχολιάστε